Qu'est ce que l'Ethernet à Paire Simple (Single Pair Ethernet) ?

Qu'est-ce que l'Ethernet à paire simple (Single Pair Ethernet) ?

Sommaire :

Introduction : Le principe

L'Ethernet à paire unique (Single Pair Ethernet) décrit la transmission de l'Ethernet via une seule paire de fils de cuivre.

• Outre la transmission de données via Ethernet, SPE permet également l'alimentation simultanée des produits finis via PoDL (Power over Data Line).

Jusqu'à présent, deux paires de fils de cuivre étaient nécessaires pour le Fast Ethernet (100 MB) ou quatre paires de fils de cuivre pour le Gigabit Ethernet.

• La technologie SPE ouvre désormais de toutes nouvelles possibilités et de nouveaux champs d'application pour l'Ethernet industriel.

Crédit vidéo : Single Pair Ethernet System Alliance

La technologie Ethernet à paire simple & ses avantages

Contexte :

Pour que la technologie Ethernet soit utilisée de bout en bout, du capteur au Cloud, de nouvelles technologies doivent être développées avec des composants standardisés, rentables et peu encombrants. Dans ce contexte, l'ajout de solutions de communication transparentes aux systèmes de bus de terrain existants au niveau du processus doit également être pris en compte.

• La technologie Ethernet actuelle est trop coûteuse et trop encombrante pour de nombreuses applications industrielles.
• Par exemple, les connecteurs RJ45 et les câbles Ethernet actuels ne conviennent guère à la connexion de simples composants de capteurs au niveau du terrain.

L'encapsulation jusqu'au capteur est complexe, coûteuse et souvent irréalisable pour des raisons d'encombrement.

• En outre, il faut prévoir un câblage à deux ou quatre paires, ainsi qu'une longueur de câble maximale de 100 m.
• C'est trop peu, en particulier pour les applications qui nécessitent un câblage à deux ou quatre paires.

C'est trop peu, en particulier pour les applications dans le domaine de la technologie des convoyeurs ou de la logistique des entrepôts.

• La solution est une norme Ethernet simplifiée qui, délibérément, n'atteint pas les taux de transmission de données élevés du monde informatique, mais combine de grandes longueurs de câble avec une conception compacte et un câblage simple et robuste : l'Ethernet à paire unique (SPE).

Pyramides Ethernet à paire unique :

L'infrastructure pour l'IIOT

Le réseau TCP/IP rend chaque acteur de terrain intelligent. Avec le TSN (Time Sensitive Network), ils deviennent également capables de fonctionner en temps réel et peuvent donc être utilisés pour le câblage relatif à la sécurité.

• Contrairement aux systèmes BUS, la vitesse de transmission des données considérablement accrue permettra également à l'avenir de connecter de manière rentable des capteurs avec des volumes de données importants.
• Par exemple, les systèmes de vision par caméra pour les systèmes de reconnaissance et de positionnement. Jusqu'à présent, ces capteurs devaient être guidés séparément sur le terrain à l'aide d'une infrastructure Ethernet à 8 fils.

Avec SPE, chaque capteur peut être connecté uniformément à l'internet. Les interfaces industrielles T1 et les câbles SPE conformes à la norme ISO/IEC 11801-X constituent l'infrastructure normalisée pour SPE sur le terrain.

_{L'architecture IIoT (Internet des Objets dans l'Industrie)}

• Cette infrastructure est aussi mince que l'infrastructure BUS conventionnelle, mais elle est nettement plus puissante en termes de débit de données et de transmission simultanée de puissance.
• Chaque petit capteur devient un participant intelligent à l'IoT industriel.

La SPE remplace t-elle l'infrastructure Ethernet existante ?

• Très probablement pas.
• Dans l'état actuel du développement et de la normalisation, la SPE ne transmet 1 GBit/s que jusqu'à une distance de 40 mètres. En revanche, l'Ethernet à 8 fils permet une transmission jusqu'à 100 mètres.
• En outre, il faudrait convertir un grand nombre d'interfaces et d'appareils, ce qui n'est pas nécessaire.
• L'Ethernet via une seule paire de fils est utilisé là où il est avantageux d'économiser de l'espace et du poids. Il s'agit par exemple d'applications dans l'industrie ferroviaire. Dans ce cas, la réduction du poids se traduit par un énorme potentiel de réduction des coûts.

L'Ethernet gagne de plus en plus d'importance dans l'automatisation et s'impose de plus en plus comme un moyen de communication universel.

• Les systèmes BUS, quant à eux, ne cessent de reculer.
• C'est précisément dans ce domaine, du niveau de la commande au niveau du terrain, que les systèmes BUS de SPE perdront des parts de marché.
• L'interface standard SPE miniaturisée pour les applications industrielles, T1 Industrial style selon la norme IEC 63171-6, peut atteindre efficacement chaque capteur et actionneur sur le terrain en association avec des câbles SPE minces.

La sécurité avec les normes :

IEC 63171-6, la norme industrielle pour les interfaces SPE :

• La norme CEI 63171-6 a été publiée début 2020, ce qui en fait la première norme au monde pour les connexions SPE dans les applications industrielles, adoptée par tous les principaux organismes de normalisation.
• Déjà soumis en 2016, le document complet de la norme comprend toutes les spécifications et séquences d'essai nécessaires pour une mise en œuvre simple et fiable.

Normes de câblage ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG3 & TIA42 - pour une compatibilité totale :

• Pour une connexion sécurisée de bout en bout, tous les composants de l'infrastructure doivent répondre à des normes uniformes. Il en va de même pour les câbles.

Ces normes de câblage fournissent à l'utilisateur des informations sur la structure du câblage, les composants de câblage à utiliser pour atteindre les objectifs de performance et les limites de contrôle du câblage. Elles constituent donc l'instrument le plus important pour la mise en place et la mise en service du câblage SPE.

• En même temps, ils garantissent la compatibilité entre les appareils et le câblage grâce à des références aux normes des composants (par exemple, les connecteurs selon la norme CEI 63171-6). Cette compatibilité est une condition préalable fondamentale pour le fonctionnement des réseaux et des connexions basés sur SPE et donc la base de l'IoT/IIoT.
• L'utilisation de composants de câblage autres que, par exemple, ISO/IEC 11801-3 Amd.1 est en principe possible, mais n'est alors plus conforme aux normes et comporte le risque d'incompatibilités et de pertes fonctionnelles.

C'est pourquoi ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 et TIA42 ont lancé début 2018 des processus de sélection internationaux pour définir des interfaces uniformes. Ces deux processus de sélection ont été initiés en partie par l'IEEE 802.3, qui a demandé à l'ISO/CEI et à la TIA une recommandation pour une interface MDI (SPE device interface).

• Plus de 20 comités d'experts nationaux ont participé à ce processus de sélection. À l'issue de cette sélection, deux interfaces enfichables se sont imposées :
• Pour le câblage des bâtiments (M1I1C1E1), la face de connexion conforme à la norme IEC 63171-1 :
• Cette face de connexion est basée sur la proposition de la société CommScope
• Pour les applications industrielles et liées à l'industrie (M2I2C2E2 et M3I3C3E3), la face de connexion est conforme à la norme IEC 63171-6 (anciennement IEC 61076-3-125) : cette face d'accouplement est basée sur la proposition de HARTING T1 Industrial.

IEEE 802.3 :

• Les normes du protocole Ethernet selon IEEE802.3 définissent les conditions-cadres techniques pour la transmission Ethernet via une seule paire de fils. Il s'agit d'un comité important dont la compétence est déterminante pour l'avenir.
• Sans protocole uniforme, il n'y a pas de norme ouverte. Pour prendre en charge cette interaction de composants normalisés pour un système ECO holistique, IEEE802.3 suit les recommandations de ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 et TIA42 pour une interface SPE uniforme et recommande également T1 Industrial style (IEC63171-6) comme interface SPE standard pour les applications industrielles.

Avantages technologiques :

• Distances de transmission allant jusqu'à 1 000 m à des taux de transmission de 10 Mbit/s
• Distances de transmission de 40 m à des taux de transmission de 1Gbit/s.
• Installation simple par une seule paire de fils
• Réduction de l'espace et du poids
• Réduction des coûts d'acquisition pour les nouvelles installations
• Chemins de câbles plus compacts
• Câblage efficace de plusieurs participants à la communication grâce à des lignes et des interfaces partagées (multidrop)
• Possibilité de continuer à utiliser le câblage existant
• Intégration d'un maximum de quatre appareils
• Possibilité de rayons de courbure plus étroits pour le câblage

Grâce aux interfaces standardisées, les concepts de câblage à une paire et à quatre paires peuvent être combinés, de même que les solutions IP20 et IP6x.

• La technologie bifilaire permet également d'alimenter, en fonction de l'application, des appareils terminaux d'une puissance allant jusqu'à 60 watts via la même paire de fils (Power over Data Line - PoDL).

Exigences en matière de câblage :

Les exigences en matière de câblage varient d'une application à l'autre. Les exigences en matière de câblage sont les suivantes

• Reportez-vous au tableau suivant pour connaître les exigences en matière de câblage :

Les applications :

Le développement de l'Ethernet à paire unique (SPE) a commencé dans l'industrie automobile, où des appareils plus petits et plus puissants étaient nécessaires.

• De plus en plus de systèmes Ethernet sont installés dans les générations actuelles de véhicules.
• Les nouveaux systèmes d'aide à la conduite - tels que le lidar (détection et télémétrie par la lumière), les écrans haute résolution, les caméras 4K ou les systèmes d'infodivertissement - ne peuvent être réalisés qu'en mettant en réseau les unités de contrôle et les capteurs.

_{La Mercedes Classe S, véhicule haut de gamme utilise la technologie LIDAR pour son système ADAS de conduite autonome de niveau 3}

• Les technologies d'avenir telles que la conduite autonome nécessitent également une technologie de connexion permettant la transmission de débits de données plus élevés dans un espace d'installation réduit.
• D'autres secteurs peuvent également bénéficier de cette approche.

Premières normes IEEE officielles :

• Le développement de l'Ethernet automobile a donné lieu à deux normes officielles de l'IEEE : 100BASE-T1 (100 Mbit/s) et 1000BASE-T1 (1 Gbit/s).
• Lors de la définition de ces normes, l'objectif était de définir les limites des connecteurs et des câbles ainsi que les méthodes de mesure à partir des exigences relatives au canal global (définies dans l'IEEE).

Le grand avantage :

• L'Ethernet à paires simples est neutre du point de vue de l'environnement, de sorte que les appareils de terrain, les capteurs et les actionneurs peuvent être facilement intégrés dans un environnement Ethernet existant.
• Des passerelles et des interfaces supplémentaires ne sont pas nécessaires.
• Contrairement aux protocoles de bus de terrain, Ethernet pénètre tous les niveaux d'automatisation.
• Il est plus cohérent, plus efficace et plus rentable que les systèmes de bus de terrain.

Domaines d'application des solutions SPE :

• L'Ethernet à paire unique est idéal pour les applications d'infrastructure dans la construction de machines et d'installations, la technologie des procédés, l'infrastructure des bâtiments et bien d'autres encore.

SPE dans les technologies de communication :

• SPE répond à l'une des exigences essentielles des applications IoT et Industrie 4.0, à savoir la mise en réseau intelligente de bout en bout à tous les niveaux. Évolutif, déterministe et entièrement compatible afin que tous les composants puissent communiquer entre eux.

Technologie de connexion dans l'automatisation des usines :

Avec les progrès de l'automatisation, un nombre croissant de capteurs et d'actionneurs sont utilisés dans tous les domaines de la fabrication, qui doivent être connectés de manière fiable aux systèmes Cloud.

Les solutions Ethernet à paire unique offrent des avantages significatifs à cet égard :

• Sécurité pour l'avenir : Connecteurs et câbles normalisés conformes aux normes IEC 63171-2 (IP20) et IEC 63171-5 (IP67).
• Puissantes : portées jusqu'à 1 000 m, débits de données jusqu'à 1 GBit/s et puissance jusqu'à 60 W
• Efficace : Intégration plug-and-play possible même dans les infrastructures de câblage existantes
• Compact : Les faces enfichables pour les ports simples et multiples permettent des densités d'encombrement élevées.
• Facilité d'intégration : variantes de prises et de fiches pour les détecteurs inductifs M8 et les câbles volants.

Les interfaces normalisées IEC 63171-2 (IP20) et 63171-5 (IP67) sont idéales pour les environnements bureautiques et industriels. Le câblage optimisé pour les applications constitue la base d'une mise en réseau à l'épreuve du temps, du capteur au Cloud.

Technologie de connexion pour l'automatisation des processus :

Dans l'automatisation des processus, la protection contre les explosions et les longues distances de transmission imposent des exigences accrues en matière de technologie de réseau. Les normes nécessaires sont résumées sous le nom de couche physique avancée (APL).

Les solutions Ethernet à paire unique offrent les avantages supplémentaires suivants pour l'automatisation des processus :

• Conformité aux normes : Tous les produits répondent aux exigences de la "Spécification du profil de port APL" (version préliminaire 0.3).
• Flexible : Direction de connexion des conducteurs horizontale, verticale et en angle pour toute conception d'appareil.
• Pratique : codage et étiquetage colorés pour faciliter le câblage
• Sûr : Également disponible pour les exigences de sécurité accrues dans les zones EX conformément à la norme IEC 60079-7

Technologie de connexion pour l'automatisation des bâtiments :

L'Internet des objets (IoT) est devenu une partie intégrante de l'automatisation des bâtiments et continuera à jouer un rôle de plus en plus important à l'avenir.

En utilisant le protocole IP, l'automatisation des bâtiments peut être mise en œuvre à la fois de manière plus pratique et plus rentable, car les capteurs, les contrôleurs et les autres unités techniques du bâtiment sont mis en réseau directement avec le système de gestion du bâtiment.

_{Cette image, utilisable pour un usage commercial a été générée par une IA}

• Ainsi, les systèmes de bus de terrain propriétaires existants sont remplacés par un câblage Ethernet cohérent, ce qui élimine les efforts de programmation et de paramétrage coûteux et fastidieux.

La tendance dans le développement des bâtiments intelligents est de réduire la consommation d'énergie de tous les appareils en réseau.

• C'est un autre domaine où l'Ethernet à paires simples s'impose, car la transmission haute performance de données et d'énergie en parallèle via un seul fil jumelé est possible grâce à l'alimentation par ligne de données (Power over Data Line).
• De même, les composants Ethernet monopaire sont robustes et puissants et sont polyvalents en raison des différentes distances et vitesses de transmission combinées à la haute densité d'empaquetage.

Les solutions TDK

L'Ethernet à paire unique (SPE) est une nouvelle norme industrielle qui permet d'établir des connexions entre le terrain et le Cloud en n'utilisant qu'une seule paire de fils torsadés, ce qui permet un transfert d'énergie parallèle et l'utilisation d'une communication IP continue.

• Grâce à une étroite collaboration avec les principales sociétés de circuits intégrés et les groupes industriels, TDK est en mesure de fournir la gamme complète d'inductances et d'autres composants passifs nécessaires à la mise en œuvre d'applications 10Base-T1L conformément à l'IEEE 802.3cg ou à l'Ethernet-APL.
• Ces inductances pour SPE sont spécifiquement développées et testées pour fonctionner avec ces nouvelles normes. Notre offre de produits combinée à la prise en charge supplémentaire vous permettra de développer votre application plus rapidement.

Applications principales et typiques :

• Il existe différentes architectures possibles, définies par la demande de puissance de l'application et les exigences de sécurité.

La première option consiste à utiliser 10Base-T1L uniquement pour la transmission de données entre les éléments de contrôle et de détection ou d'action :

• Par conséquent, seule une self de mode commun (CMC) ou une inductance d'isolation est nécessaire.
• Pour permettre la transmission d'énergie, également appelée PoDL (Power-over-Data Line), une self de mode différentiel est nécessaire.
• Si l'inductance de mode différentiel est constituée de deux enroulements, une seule pièce est nécessaire
• Dans le cas d'une inductance simple, deux composants doivent être utilisés.